[論文レビュー] An Empirical Analysis of the Nostr Social Network: Decentralization, Availability, and Replication Overhead

Yiluo Wei, Gareth Tyson|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2024

Opportunistic and Delay-Tolerant Networks被引用数 6

ひとこと要約

この論文は Nostr エコシステムの初の大規模計測を提供し、リレー分散と高いポスト可用性を示す一方で、顕著な複製オーバーヘッドとリレーの持続可能性の課題を指摘しています。さらに、複製と取得オーバーヘッドを減らす設計イノベーションを2つ提案します。

ABSTRACT

Nostr is a decentralized social network launched in 2022, emphasizing high availability and censorship resistance. Since launching, it has gained substantial attention, boasting over 100 million posts. Nostr resembles a micro-blogging service like Twitter but with distinct underlying infrastructure. Nostr introduces the concept of relays, which act as open storage servers that receive, store, and distribute user posts. Each user is uniquely identified by a public key, ensuring authenticity of posts through digital signatures. Users are able to securely replicate and retrieve posts through multiple relays, which frees them from single-server reliance and enhances post availability, thereby attempting to make Nostr censorship resistant. However, this aggressive design also presents challenges, such as the overhead required for extensive post replication and the difficulty in obtaining a global view of post replication locations, which remain unexplored or unaddressed. This necessitates a thorough understanding of the Nostr ecosystem; therefore, we conduct the first large-scale study on this topic. Our study focuses on two key aspects: Nostr relays and post replication strategies. We find that Nostr achieves superior decentralization compared to traditional Fediverse applications. However, relay availability remains a challenge, where financial sustainability (particularly for free-to-use relays) emerges as a contributing factor. We also find that the replication of posts across relays enhances censorship-resistance but introduces significant overhead. To address this, we propose two improvements: one to control the number of post replications, and another to reduce the overhead during post retrieval. Via a data-driven evaluation, we demonstrate their ability to reduce overhead without negatively impacting post availability under the simulated scenarios.

研究の動機と目的

• Nostr リレーの分散性と可用性を大規模データセットで評価する。
• ポスト複製とそれがストレージと帯域に与える影響を定量化する。
• リレー運用者の持続可能性とインセンティブを評価する。
• 複製オーバーヘッドと取得の無駄を減らす設計イノベーションを提案する。

提案手法

• 2023-07-01 から 2023-12-31 までに 1780 万ポスト、150 万ユーザー、712 リレーのデータセットを構築する。
• テキストノート（kind-1）、ユーザープロフィール（kind-0）、フォローリスト（kind-3）、ザップイベント（kind-9735）を収集するために 712 リレーをクロールする。
• リレー、AS、国別のポスト/ユーザー分布を分析して分散性を評価する。
• nostr.watch API を用いて 2023-10-01 から 2024-12-31 の間のリレー可用性をモニタリングする。
• トップリレー/ASを除去してリレー故障時のポスト可用性をシミュレートし、残存可用性を評価する。
• ポスト複製指標（1ポストあたりのリレー/AS の数）と取得の冗長性を計算する。
• 複製オーバーヘッドと取得オーバーヘッドを低減する2つの設計イノベーションを提案し、その有効性を評価する。
• ザップ取引と有料リレー料金を用いてリレー収入と持続可能性を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リレーごとのポストとユーザーの分布に基づく Nostr のリレー層での分散性はどの程度か（リレー、AS、国別の分布の観点から）？
• RQ2 リレーの可用性の特徴は何か、そしてリレーの持続可能性は可用性にどう影響するか？
• RQ3 リレー間のポスト複製はどれくらいの規模とオーバーヘッドを伴い、複製が取得効率にどう影響するか？
• RQ4 設計イノベーションは可用性を損なうことなく複製と取得オーバーヘッドを削減できるか？

主な発見

• ポストとユーザーはリレー全体に高度に分散しており、93% のポストは複数リレーに存在し、178 のリレー（ポストの >5%）がコンテンツの重要な共有をホストしている。
• リレーは44か国と151のASに分布しており、52% の国はリレーが2つ未満だが、トップ国はポストとユーザーのシェアを substantial に hostしている（例：米国はポストの85%をホスト）。
• 20% のリレーは時間の80%超のダウンタイムを経験しており、死んだリレーが特定されている；死んだリレーを除去すると上位90%のリレーで可用性が80%以上に改善される。
• ほとんどの無料リレーは6か月の運用コストを賄えず、入場料の上昇は一部の有料リレーの支援に留まる；全体として多くのリレーは安定収益よりも趣味や寄付（ザップ収入）に依存している。
• ポストは多くのリレーとASに複製され、1ポストあたり平均34.6リレー、12.4ASで可用性を高めている一方、ストレージと帯域幅のオーバーヘッドが大きい。
• 可用性は堅調に保たれている（ユーザー活動上位50リレーを除去後約90%程度）、しかしポスト中心のランキングで上位30リレーを除去すると可用性が低下することが分かり、ポスト中心の集中化に敏感であることを示している。
• 著者らは複製オーバーヘッドと取得の無駄を削減する2つの新設計を提案し、総合的な可用性を損なうことなく冗長な複製と取得を大幅に削減できることを示している。